本科生學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、    本科生學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)    孫玉梅 黑志榮 孫巧妍 王美春 陳祥光摘要：學(xué)習(xí)過程是一個(gè)具有多變量、非線性、大滯后、耦合以及時(shí)變特性的非工程系統(tǒng)。本文運(yùn)用自動(dòng)控制原理設(shè)計(jì)了一門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)之上設(shè)計(jì)了多門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，綜合地分析了該系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)以及主要的干擾因素，提出了學(xué)習(xí)過程反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)的基本框架，該系統(tǒng)可促使學(xué)生有效控制自身學(xué)習(xí)的行為，提高學(xué)習(xí)效率，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)。因此，本文所提學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)具有很好的參考價(jià)值。關(guān)鍵詞：學(xué)習(xí)過程;本科生;反饋控制系統(tǒng);自動(dòng)控制原理：g

2、642.41     文獻(xiàn)標(biāo)志碼：a     ：1674-9324（2019）11-0206-04一、前言目前，人類社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入到信息化時(shí)代，隨著知識(shí)面的深度和廣度增加，信息量也與日俱增。只有通過學(xué)習(xí)才能掌握科學(xué)技術(shù)，才能促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)。因此，研究大學(xué)生的學(xué)習(xí)過程，對(duì)于督促學(xué)生的學(xué)習(xí)、激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力、推動(dòng)本科教育教學(xué)改革以及提升人才培養(yǎng)質(zhì)量都有著極其重要的意義1。目前，在大學(xué)里有相當(dāng)一部分學(xué)生的學(xué)習(xí)狀況不夠理想，例如學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確、學(xué)習(xí)不刻苦、學(xué)習(xí)動(dòng)力不足等2。在學(xué)習(xí)過程中，影響大學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)的主要因素可歸

3、納如下。1.學(xué)習(xí)目標(biāo)不明確，沒有吃苦耐勞、刻苦鉆研的精神。2.沒有樹立正確的人生觀和價(jià)值觀，而追捧“歌星、影星、球星”等現(xiàn)象泛濫。3.抗擊外界的干擾能力弱，不能把主要的精力投入到學(xué)習(xí)中，而將大部分課余時(shí)間用在手機(jī)游戲、聊天等活動(dòng)上。大學(xué)生的學(xué)習(xí)過程需要監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)。為了完善學(xué)校教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)工作，促進(jìn)學(xué)生自身的發(fā)展和提升人才培養(yǎng)質(zhì)量，在教學(xué)質(zhì)量保障與監(jiān)控工作中，要重視教學(xué)評(píng)價(jià)對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程的監(jiān)測(cè)、反饋、診斷、改進(jìn)、激勵(lì)等措施，研究學(xué)生學(xué)習(xí)過程的評(píng)價(jià)機(jī)制，從而提高大學(xué)人才培養(yǎng)質(zhì)量3。因此，分析現(xiàn)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)過程和學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，研究學(xué)習(xí)過程的合理評(píng)價(jià)方法，對(duì)于提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和保障高等教育水平都具有重要

4、的戰(zhàn)略意義。文獻(xiàn)4研究發(fā)現(xiàn)，目標(biāo)缺失、動(dòng)力不足和時(shí)間管理不善是影響大學(xué)生學(xué)習(xí)過程的三個(gè)主要因素。當(dāng)前，自主學(xué)習(xí)越來越受到社會(huì)各界的重視，它不僅符合人類發(fā)展歷程的基本規(guī)律，也符合教育改革的發(fā)展趨勢(shì)，其可以挖掘?qū)W生自身的潛力，使學(xué)生獲得較好的學(xué)習(xí)效果。自主學(xué)習(xí)也是實(shí)現(xiàn)終身學(xué)習(xí)的必要條件5。在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，自主學(xué)習(xí)的過程相當(dāng)于控制器、執(zhí)行器及被控對(duì)象三個(gè)環(huán)節(jié)的串聯(lián)，但沒有檢測(cè)裝置，不能構(gòu)成反饋控制系統(tǒng)。不是反饋控制，就會(huì)出現(xiàn)設(shè)定值與被控值之間的偏差，而這個(gè)偏差是波動(dòng)的、忽大忽小，甚至使系統(tǒng)不穩(wěn)定。本文運(yùn)用自動(dòng)控制原理，設(shè)計(jì)本科生學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，其目的是使學(xué)生理解學(xué)習(xí)過程反饋控制系統(tǒng)每個(gè)環(huán)節(jié)

5、的特性，分清學(xué)習(xí)過程中的干擾因素，從而實(shí)現(xiàn)自主學(xué)習(xí)，達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)值。二、學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）自動(dòng)控制原理簡(jiǎn)述自動(dòng)控制和反饋是自動(dòng)控制系統(tǒng)中的重要概念。自動(dòng)控制是在沒有人的干預(yù)下，通過檢測(cè)裝置、控制器和執(zhí)行器，使被控對(duì)象或生產(chǎn)過程按照預(yù)定的變化規(guī)律運(yùn)行。反饋是通過檢測(cè)裝置將系統(tǒng)的輸出量返回到系統(tǒng)的輸入端，與設(shè)定值（目標(biāo)值）進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差信號(hào)作為控制器的輸入量6，通過控制器（模型或計(jì)算式）的運(yùn)算，作為執(zhí)行器的輸入量，再通過能量轉(zhuǎn)換控制輸入至被控對(duì)象的物料（或信號(hào)），使被控對(duì)象的輸出值保持在設(shè)定值的一定范圍內(nèi)變化。其反饋控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖1中一些術(shù)語說明如下：檢測(cè)裝置（

6、傳感器或檢測(cè)元件）：檢測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的被控參數(shù)，并將其轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量值;控制器：根據(jù)偏差值的正負(fù)、大小及變化情況，按某種預(yù)定的控制規(guī)律（模型或數(shù)學(xué)表達(dá)式）給出控制量;執(zhí)行器：基于控制器輸出的，通過能量轉(zhuǎn)換改變操縱量;被控對(duì)象：一般是指工業(yè)生產(chǎn)中需要進(jìn)行控制的設(shè)備、裝置或生產(chǎn)過程;被控參數(shù)：在控制對(duì)象中要求按預(yù)定規(guī)律變化的物理量（化學(xué)量或生物量等），也稱被控參數(shù);擾動(dòng)（干擾）：在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，干擾又稱擾動(dòng)。除控制量以外引起被控參數(shù)變化的所有作用因素都可視為干擾;設(shè)定（給定或恒定）值：指與被控對(duì)象工藝要求值相對(duì)應(yīng)的信號(hào)值，也稱目標(biāo)值，是控制系統(tǒng)的輸入?yún)?shù)（對(duì)于定值系統(tǒng)，它是恒定值）;偏差值：指設(shè)定值與被

7、控參數(shù)測(cè)量值之差，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，一般規(guī)定偏差值。（二）學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)由于工業(yè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)控制系統(tǒng)屬于工程系統(tǒng)，而大學(xué)生的學(xué)習(xí)過程屬于非工程系統(tǒng)，這類系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)（實(shí)時(shí)）控制，而是運(yùn)用自動(dòng)控制原理，構(gòu)建學(xué)習(xí)過程的采樣反饋控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)的采樣周期也是變化的，這些都是本文涉及到的研究?jī)?nèi)容。1.一門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。目前的大學(xué)生在課程學(xué)習(xí)過程中，被控制對(duì)象就是課程的學(xué)習(xí)過程，控制器和執(zhí)行器都是學(xué)習(xí)者自身頭腦思維和學(xué)習(xí)活動(dòng)，學(xué)習(xí)過程中的檢測(cè)裝置就是“課堂學(xué)習(xí)情況、課后作業(yè)完成情況、課堂測(cè)驗(yàn)、同學(xué)之間的討論、老師的點(diǎn)評(píng)以及自我檢查學(xué)習(xí)等?！卑匆欢ǖ闹芷冢ㄈ鐣r(shí)間t1）檢

8、測(cè)學(xué)習(xí)情況，將檢測(cè)結(jié)果反饋到輸入端，并且與輸入設(shè)定值（或目標(biāo)值）進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差作為控制器（即學(xué)生自身）的輸入，基于控制模型（或控制算法）對(duì)偏差進(jìn)行運(yùn)算，輸出值相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法或措施，修正該課程的學(xué)習(xí)過程，以最終獲得預(yù)期的成績(jī)，達(dá)到本課程預(yù)設(shè)的學(xué)習(xí)目標(biāo)。結(jié)合大學(xué)學(xué)習(xí)情況，通過對(duì)身邊學(xué)生不同學(xué)習(xí)情況的對(duì)比，針對(duì)某一門課程學(xué)習(xí)過程進(jìn)行分析，例如大學(xué)物理，設(shè)定自身學(xué)習(xí)期望值，即課程期末學(xué)習(xí)成績(jī)?yōu)?0分，以自身學(xué)習(xí)過程為被控對(duì)象，定期（如t1）進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，比如課堂聽課情況、回答問題情況、課堂測(cè)驗(yàn)情況、課后作業(yè)情況以及期中考試成績(jī)等多種學(xué)習(xí)情況，通過檢測(cè)上述情況結(jié)果并且與自身學(xué)習(xí)期望值進(jìn)行比較，產(chǎn)生

9、的偏差通過采樣開關(guān)（t2）作為學(xué)生自身的輸入，學(xué)生自身就是控制器和執(zhí)行器，若偏差較大，則盡快采取措施調(diào)整學(xué)習(xí)狀態(tài)，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，改進(jìn)學(xué)習(xí)方法，克服學(xué)習(xí)過程中的干擾因素，及時(shí)對(duì)學(xué)習(xí)過程進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)輸出值（也就是期末考試綜合成績(jī)）達(dá)到學(xué)習(xí)期望值或者與期望值偏差不大。設(shè)計(jì)一門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)如圖2所示。因?yàn)閷?duì)于學(xué)習(xí)過程的情況（也可用變量表示），通常是通過課堂提問、作業(yè)、測(cè)試等方式獲取學(xué)生的學(xué)習(xí)信息，而這種獲取的方式是間歇的、離散的，即按一定的時(shí)間周期進(jìn)行。因此，在圖2系統(tǒng)的反饋回路中設(shè)置了2個(gè)采樣開關(guān)7。2.多門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。大學(xué)本科學(xué)習(xí)時(shí)間通常為4年

10、，每個(gè)學(xué)年有2個(gè)學(xué)期，而每一個(gè)學(xué)期有多門課程，設(shè)定不同課程的學(xué)習(xí)期望值，采用各自的控制回路，但是都是同一個(gè)控制器和執(zhí)行器學(xué)習(xí)者自身、學(xué)習(xí)者個(gè)人興趣愛好、擅長(zhǎng)的側(cè)重點(diǎn)、時(shí)間的有限性等個(gè)人因素以及學(xué)習(xí)課程的關(guān)聯(lián)性，又存在不可避免的相互影響和制約（在控制系統(tǒng)中，稱之為耦合）。因此，為了更好地實(shí)現(xiàn)所有學(xué)習(xí)課程的實(shí)際值接近于期望值，需要設(shè)計(jì)一個(gè)整體的反饋控制回路，檢測(cè)所有課程學(xué)習(xí)過程的情況，并及時(shí)修訂學(xué)習(xí)目標(biāo)，控制器針對(duì)偏差進(jìn)行合理均衡地控制，合理分配學(xué)習(xí)時(shí)間，做出合理、及時(shí)的調(diào)整措施，實(shí)現(xiàn)多門課程學(xué)習(xí)過程的優(yōu)化控制。因此，研究設(shè)計(jì)多門課程的學(xué)習(xí)過程反饋控制系統(tǒng)是有必要的?；趫D2的控制系統(tǒng)，目標(biāo)設(shè)定值

11、都是期末的學(xué)習(xí)成績(jī)，比如大學(xué)英語75分，微積分85分大學(xué)物理80分。對(duì)于多門課程之間存相互干擾和相互影響的耦合作用，例如給出n門課程學(xué)習(xí)過程的設(shè)定值（n=1，2，3），學(xué)生自身根據(jù)自我評(píng)價(jià)，找出擅長(zhǎng)與不足，或者說n門課程的基礎(chǔ)功底，然后制定學(xué)習(xí)計(jì)劃和學(xué)習(xí)過程的操作步驟，給n門課程分配不同的學(xué)習(xí)時(shí)間、學(xué)習(xí)態(tài)度，再根據(jù)各自課程的檢測(cè)情況，及時(shí)調(diào)整、改變學(xué)習(xí)方法和措施，盡可能使這n門課程的學(xué)習(xí)成績(jī)都接近于期望（預(yù)設(shè)）值。多門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)如圖3所示。在圖3中，輸入值為多門課程的學(xué)習(xí)目標(biāo)值（即希望獲得各門課程的成績(jī)），輸出值為各門課程學(xué)習(xí)過程成績(jī)的變化值，其穩(wěn)態(tài)值即為各門課程對(duì)應(yīng)的期末成績(jī)

12、。在學(xué)生學(xué)習(xí)過程中，各課程的學(xué)習(xí)成績(jī)是通過“聽課、作業(yè)、檢查、測(cè)試等方式”獲取信息的，該環(huán)節(jié)相當(dāng)于一個(gè)檢測(cè)環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)信息的獲取是周期性的，所以設(shè)置采樣開關(guān)t1。學(xué)生按照自己制定的學(xué)習(xí)方案（或計(jì)劃）展開學(xué)習(xí)，這相當(dāng)于控制環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)方案（或計(jì)劃）要通過學(xué)生本身多年積累的學(xué)習(xí)方法和措施來實(shí)施，這就相當(dāng)于執(zhí)行環(huán)節(jié)。因此學(xué)生本人就相當(dāng)于控制環(huán)節(jié)+執(zhí)行環(huán)節(jié)。對(duì)每一門課程，學(xué)生都要通過聽課、做作業(yè)（或做實(shí)驗(yàn)和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告）考試等教學(xué)活動(dòng)，直至課程結(jié)束獲得成績(jī)，這樣的過程稱為多門課程學(xué)習(xí)過程。圖3中多門課程學(xué)習(xí)過程存在相互耦合作用，即多門課程的學(xué)習(xí)過程相互影響，圖中的實(shí)線表示有直接的影響，虛線表示間接影響。

13、因此，學(xué)生要根據(jù)不同的課程需求，安排好各門課程的學(xué)習(xí)計(jì)劃，運(yùn)用相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法和措施，使多門課程的學(xué)習(xí)成績(jī)接近于預(yù)先的設(shè)定值。3.多個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)過程的反饋?zhàn)哉{(diào)節(jié)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。大學(xué)一般都是四年學(xué)業(yè)，分為不同學(xué)期學(xué)習(xí)。完成四年本科的大學(xué)學(xué)習(xí)，要求學(xué)好每一門課程，不僅是某一個(gè)學(xué)期的任務(wù)，而且是整個(gè)大學(xué)期間多個(gè)學(xué)期的任務(wù)。為了更好地達(dá)到畢業(yè)要求，多個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)過程必須有方案、有計(jì)劃地學(xué)習(xí)。因此，需要設(shè)計(jì)一個(gè)多個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)過程的反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。在圖4中，輸入值為課程學(xué)習(xí)目標(biāo)值（即希望獲得各課程的成績(jī)），輸出值為各課程成績(jī)的變化過程，其穩(wěn)態(tài)值即為各課程對(duì)應(yīng)的期末成績(jī)。設(shè)定一個(gè)自適應(yīng)學(xué)習(xí)

14、調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，各課程的學(xué)習(xí)成績(jī)是通過“聽課、作業(yè)、檢查、測(cè)試等方式”獲取信息的，該環(huán)節(jié)相當(dāng)于一個(gè)檢測(cè)環(huán)節(jié)。學(xué)生按照自己制定的學(xué)習(xí)方案（或計(jì)劃）展開學(xué)習(xí)，這相當(dāng)于控制環(huán)節(jié)。學(xué)習(xí)方案（或計(jì)劃）要通過學(xué)生本身多年積累的學(xué)習(xí)方法和措施來實(shí)施，這就相當(dāng)于執(zhí)行環(huán)節(jié)。學(xué)生要對(duì)每一門課程通過聽課、做作業(yè)（或做實(shí)驗(yàn)和撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告）考試等教學(xué)活動(dòng)，直至課程結(jié)束獲得成績(jī)，該過程被稱為課程學(xué)習(xí)過程。圖4中的工作原理是：首先通過測(cè)試方式按一定的周期（t1）獲取各課程的信息（數(shù)值），與預(yù)先設(shè)置的目標(biāo)值進(jìn)行比較，產(chǎn)生的偏差按一定的周期（t2）作為控制器的輸入，該控制器就是學(xué)生的腦思維系統(tǒng)，學(xué)生根據(jù)不同課程的學(xué)習(xí)偏差和偏差的大小

15、，運(yùn)用相應(yīng)的學(xué)習(xí)方法和措施，使各門課程的學(xué)習(xí)成績(jī)?cè)陬A(yù)定值允許的范圍內(nèi)變化。學(xué)習(xí)過程是變化的，因此易受外部干擾。假設(shè)外部干擾因素是可測(cè)的，那么可通過當(dāng)前的偏差值和外部的干擾量及變化特性，基于自調(diào)節(jié)規(guī)則和推理機(jī)構(gòu)在線修正控制器的參數(shù)，即調(diào)整學(xué)生的學(xué)習(xí)方案，使該系統(tǒng)具有抗干擾和自適應(yīng)過程變化的能力。將反饋原理和自調(diào)節(jié)方法相結(jié)合，構(gòu)建了一類如圖4所示的“多個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)過程的反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)”。三、結(jié)論本文分析了大學(xué)生學(xué)習(xí)過程相關(guān)環(huán)節(jié)的主要特性，運(yùn)用反饋控制原理，設(shè)計(jì)了單門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了多門課程學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，以及設(shè)計(jì)了多個(gè)學(xué)期學(xué)習(xí)過程的反饋?zhàn)赃m應(yīng)控制系統(tǒng)。根據(jù)實(shí)際情況運(yùn)用這

16、些學(xué)習(xí)過程的反饋控制系統(tǒng)，對(duì)于增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力，提高學(xué)習(xí)效率，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。然而，學(xué)習(xí)過程是一個(gè)具有多變量、非線性、大滯后、耦合以及時(shí)變特性的非工程系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的建模過程很復(fù)雜，一些干擾因素很難準(zhǔn)確測(cè)量。因此，這類系統(tǒng)屬于復(fù)雜的難控系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)：1牛虧環(huán).大學(xué)生學(xué)習(xí)過程評(píng)價(jià)初探j(luò).高教發(fā)展與評(píng)估，2015，31（4）：6-13+105.2殷全玉，丁曼旎，許自成，等.淺析目前大學(xué)生學(xué)習(xí)過程中存在的問題j.決策探索（下半月），2011，（2）：59.3白菁，倫艷，孫彥超.學(xué)生學(xué)習(xí)過程檢測(cè)與評(píng)價(jià)研究j.人力資源管理，2017，（11）：284-286.4牛虧環(huán).大學(xué)生學(xué)習(xí)

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18、yan1，wang mei-chun1，chen xiang-guang1，2*（1.college of electronic engineering，yantai nanshan university，longkou，shandong 265713，china;2.school of chemistry and chemical engineering，beijing institute of technology，beijing 100081，china）abstract：learning process is a non-engineering system with multivariable，nonlinear，large hysteresis，coupling and time-varying characteristics.based on the principle of automatic control，a feedback control system for the course learning process is designed in this paper.on the basis of this，